混凝土桥梁温度裂缝特点及其控制措施

   随着建筑业的迅猛发展,中国兴建了很多道路、桥梁等基础工程,许多设计上认为完善的桥梁却出现了严重的裂缝,通过国内外许多学者的研究,发现很多裂缝由温度应力引起的。本文阐述了温度对混凝土桥梁的作用及其特点,温度对桥梁的影响作用比较常见的有水化热、日照温差、骤然降温、年温差等。本文简介绍了这些影响因素的作用机理和一些常见的控制措施。 
  关键词混凝土; 温度裂缝; 温度应力; 水化热; 日照温差; 骤然降温;年温差 
  1.概述 
  随着交通事业的飞速发展,桥梁作为交通枢纽,发挥着越来越重的作用,近几十年来,我国兴建了很多各种类型的公路桥梁、铁路桥梁、铁路公路两用桥梁、城市桥梁及立交桥等。但是这些桥梁,尤其是钢筋混凝土桥梁,在使用过程中出现了许多缺陷和问题,桥梁裂缝就是其中主问题之一。桥梁裂缝使得许多桥梁在未达到使用年限前就出现耐久性严重退化的现象,甚至造成桥梁的坍塌。 
  桥梁在建设之初,由于混凝土浇筑产生大量的水化热,引起混凝土结构内外温差,产生混凝土早期裂缝,此外混凝土表面水分散失也会产生早期干燥收缩裂缝。桥梁结构至建设时处于自然环境之中,受到自然环境的影响,如阳光辐射、环境气温变化等,使得箱梁各个部位产生非均匀温度场,非均匀温度场引起的变形受到内部纤维和外部约束时产生很大的温度应力,当应力大于此龄期的极限抗拉强度时就会产生裂缝。因此,本文主从混凝土温度应力变化过程、水化热、日照温差、骤然降温和年温差方面分析温度应力产生裂缝的原因。 
  2.混凝土温度应力变化过程 
  混凝土结构产生裂缝的原因主有两类荷载作用下的裂缝(结构裂缝)和变形作用下的裂缝(非结构裂缝),其中,由于结构受温度、收缩、不均匀沉降等变形作用下的裂缝占8%以上1。可见温度裂缝所占裂缝比例是很大的。温度裂缝的主原因是混凝土温度和湿度的变化加上混凝土自身的脆性和不均匀性造成的。混凝土箱梁在水化热和日照辐射的作用下,箱梁内部产生非均匀的温度场,非均匀温度场引起的变形受到内部纤维的外部约束产生温度应力,当温度应力大于此龄期的极限抗拉强度时,出现温度裂缝。混凝土内部温度和温度应力变化全过程可分为三个阶段23。第一阶段,混凝土内部升温,产生温度压应力,弹性模量也开始发展,在这个阶段,弹性模量较小,徐变较大,对温度应力有较大的松弛;第二阶段,混凝土内部降温,早期温度拉应力产生,此阶段水化速率减缓,混凝土表面向外界放热,温度开始下降,而弹性模量仍在增加,因此开始产生温度拉应力。第三阶段,混凝土内部温度动态平衡,进入后期温度应力阶段,此阶段水化反应完成,混凝土强度发展到一定程度,混凝土内部温度场趋于平衡,此时外界环境温度变化、日照温度等因素影响越来越明显。温度应力主有外界温度变化和日照温度引起。此阶段应力与前期应力叠加,称之为后期温度应力。 
  3.水化热温度裂缝和收缩裂缝的成因及防治 
  3.1水化热温度裂缝和收缩裂缝的成因分析 
  混凝土内部水泥的水化过程在浇筑后前七天就基本完成。在此期间由于水泥的水化效应,内部温度不断上升,随后逐渐下降,这是一个先升温后降温的过程。 
  在升温阶段,混凝土强度和弹性模量均较低,产生的温度应力也很小,此时混凝土的塑性变形能力大,徐变较大,对温度应力有较大的松弛,因此,此时的温差不会对混凝土造成很大的伤害。在降温阶段,混凝土内部水化放热和热传导不一致,造成相邻混凝土层有一定的温度梯度,此时混凝土表面向外界放热会扩大内外温差。混凝土相邻层纤维相互约束使得混凝土产生温度自应力,受到外界的约束与温度自应力叠加加大混凝土内部和表面应力,当混凝土表面的应力大于同龄期混凝土的极限抗拉强度时表面出现裂缝。 
  普通水泥在硬化过程中会有一定的收缩,与外界湿度无关。在硬化过程中,多余水分蒸发,水泥浆收缩,混凝土表层水分蒸发损失快,内部慢,因此产生混凝土表面收缩大于内部收缩的不均匀收缩,混凝土表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使混凝土表面承受拉力,这种硬化过程收缩在水化热应力共同作用下加剧表面裂缝的产生。 
  在混凝土降温过程中,表面裂缝的尖端会产生较大的应力集中,之后受到日照温度、骤然降温的温度作用和汽车荷载等活载的作用,裂缝向纵深发展,有些会发展为纵深裂缝。 
  3.2水化热温度裂缝控制机理和措施 
  3.2.1 水化热温度裂缝控制机理 
  混凝土温度裂缝是由于在降温期间截面内邻近层自我约束和受到体外的各种约束产生的应力造成的裂缝。 
  因此,影响温度应力的主变化因素约束、弹性模量、徐变、温度差,由(2)-(5)可以看出,弹性模量逐渐增大,徐变逐渐减小,温度差值先增大至最大值,后减小,则水化热温度裂缝控制主应控制上面的这些变化因素。 
  3.2.2 水化热温度裂缝控制 
  混凝土水化热温度裂缝控制主从改善约束条件,控制温差,减缓混凝土降温过程等方面采取措施。 
  (1)改善约束条件,工程建设中混凝土结构浇筑应该合理的分缝分块,合理的安排施工工序。 
  (2)控制混凝土内部温差 ,材料的冷却如浇筑混凝土时冷水拌合或掺冰块、控制各个骨料的入模温度,并选择合适的浇筑时间;选用低热水泥品种,掺入外加剂,改善混凝土的和易性,较少水和水泥的含量;优化混凝土的配合比,减少胶凝材料的用量;浇筑层内预埋冷却水管,通入冷水降温,也可把钢筋伸出浇筑物,利用钢筋热传导性好降温;分层浇筑,减少浇筑层厚度,减缓浇筑速率,控制最大温差。 
  (3)减缓混凝土的降温速率,混凝土模板拆除后,注重养护;温度骤降混凝土表面蓄热保温保湿措施,避免温差过大;规定合理的拆模时间,避免温度梯度过大。 
  (4)控制施工质量,采用级配良好的砂、石子,分层浇筑振捣实心密实,高混凝土抗拉强度。采用直径较小钢筋,控制表面裂缝有一定的效果。
  3.2.3 收缩裂缝控制 
  选用收缩小的水泥品种,控制水灰比,添加合理的外加剂,减少水泥浆体的干缩。同时混凝土表面采用保温保湿的养护方法,较少收缩应力。 
  4.年温差、骤然降温、日照温度等引起的裂缝及控制措施 
  4.1年温差 
  一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,所以,在考虑年温对结构物的影响时,均以结构物的平均温度为依据。一般以最高与最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。对桥梁结构的影响主是导致桥梁的纵向位移,一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调,只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝。 
  4.2骤然降温 
  突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降,但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。目前英国BS54规范、美国AASHTO规范、中国新铁规等规范规定了降温梯度模式,但各地状况不同,在实际计算有条件应采用实测数据拟合的温度梯度,不考虑弹性模量的折减,温度骤降时应采取一定的保温措施。 
  4.3日照温度 
  温度应力是引起桥梁裂缝的重因素之一,由太阳辐射引起的温度应力最大。但是采用不同的温度梯度模式计算出的温度应力相差很大,所以温度梯度模式的确定至关重。此外,我国幅员辽阔,横跨寒带、亚热带和热带,桥梁规范是否应分区表示各个地带的正温度梯度有待研究。《公路桥规》规定我国各地的桥梁采用一致的正温度梯度,即没有考虑地域的不同对混凝土箱梁的正温度梯度的影响。影响温度梯度的因素很多,如太阳辐射、方位角、所处地区位置、风速等。我国的公路桥规主借鉴了美国AASHTO规范的相关规定,并未考虑地区差异及温度梯度模式选取的合理性。因此,对于温度梯度模式的确定应该采用实测的手段确定。 
  4.3.1 温度梯度模式及温度应力分布特点 
  国内外所采用的温度梯度模式大致有这样几种距离梁顶采用指数模式,距离底板一定距离采用线性分布模式;距离梁顶采用指数模式;距离梁顶一定距离采用双折线模式,距离梁底一定距离采用线性分布模式;距离梁顶一定距离采用双折线模式。最高温度取值不一致,有些根据混凝土铺装不同分别取值。 
  本文通过实桥观测,采用常用的16点和凌晨4点时刻为最大温度梯度,梯度模式采用指数模式,研究表明,在最不利正温差作用下,顶板上表面受压,下表面受拉,底板上表面受拉,下表面受压,腹板内外侧均受拉;大多学者还出温度应力产生裂缝最多的部位是跨中和靠近支座处,这实际上也和活载最大应力分布规律在控制截面基本一致。 
  4.3.2温度长期作用引起的疲劳作用 
  循环载荷同高温联合作用引起的疲劳失效为热疲劳,是疲劳中的一种;产生热疲劳必须有两个条件,即温度变化和机械约束。日照温度作用的频率虽然比车辆荷载低的多,但日照温度应力的变化幅度,很可能比车辆荷载应力的变化幅度更大,日照温度对桥梁结构的长期反复作用属于疲劳问题范畴。 
  对于钢筋混凝土试件疲劳破坏包括钢筋疲劳破坏和混凝土疲劳破坏。钢筋疲劳破坏以受拉钢筋拉断为标志;混凝土疲劳破坏又包括试件斜截面疲劳破坏和受压区混凝土压碎疲劳破坏。温度长期疲劳作用,是影响桥梁安全与耐久性的一个不可忽略的因素;建议再设计时考虑温度长期疲劳作用,分析在实际疲劳应力(汽车和温度耦合作用)下的疲劳次数;找到影响裂缝持续开裂的疲劳应力幅,并分析长期温度作用对此应力幅的贡献比例。